CN102810444A - 场增强感应耦合等离子处理装置及等离子形成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种场增强感应耦合等离子处理装置及等离子形成方法，该处理装置包括：工艺室，具备电介质盖；及等离子源组装体，设置于电介质盖上。等离子源组装体包括：至少一个以上的水平感应线圈，向上述工艺室感应结合RF能量，以在工艺室内形成并维持等离子；至少一个以上的电力施加电极，电连接至上述水平感应线圈，以向上述工艺室内容量结合RF能量；第一位置调节机构，结合于上述电力施加电极并改变上述施加电极的水平位置；及RF发生器，结合于上述至少一个以上的电力施加电极。

Description

场增强感应耦合等离子处理装置及等离子形成方法
技术领域
本发明实施例涉及半导体处理装置，尤其涉及感应耦合等离子处理装置及等离子形成方法。
背景技术
一般而言，感应耦合等离子(ICP)工艺处理装置，通过设置于工艺室外部的一条或两条以上的感应线圈向工艺室内的工艺气体施加电流，以形成等离子。感应线圈可通过例如电介质盖等从工艺室设置于外部以实现电分离。在一定的等离子工艺中，加热器元件可设置于电介质盖上，以容易维持工艺期间或工艺之间的工艺室内的一定温度。
加热器可为开放中断型加热器(open break heater)(例如，非闭合型电回路)或非中断型加热器(no break heater)(例如，闭合型电回路)。在加热器元件为开放中断型加热器元件的实施例中，加热器元件采用例如导致处理的基板的不均匀蚀刻速率或导致时刻图案的非对称的等离子非-均匀度。这样的等离子非均匀度可用非中断型加热器元件替代开放中断型加热器元件来消除。
发明内容
传递至感应线圈的RF能量也以非中断型加热器元件感应耦合，甚至减少工艺室内用于形成等离子的能量(例如，非中断型加热器元件减少等离子碰撞窗口(plasma strike window))。
因此，需要经过改善的感应耦合等离子处理装置。
提供场增强感应耦合等离子处理装置及等离子形成方法的实施例。
在规定实施例中，本发明提供的场增强感应耦合等离子处理装置，包括：工艺室，具备电介质盖；及等离子源组装体，设置于电介质盖上。等离子源组装体，包括：至少一个以上的水平感应线圈，向上述工艺室感应结合RF能量，以在工艺室内形成并维持等离子；至少一个以上的电力施加电极，电连接至上述水平感应线圈，以向上述工艺室内容量结合RF能量；第一位置调节机构，结合于上述电力施加电极并改变上述施加电极的水平位置；及RF发生器，结合于上述至少一个以上的电力施加电极。
在规定实施例中，场增强感应耦合等离子处理装置，包括：垂直感应线圈，与水平感应线圈连接并设置于电介质盖侧面之上；及第二位置调节机构，整体移动垂直感应线圈的垂直位置或改变垂直感应线圈的间隔。
在规定实施例中，本发明提供的等离子形成方法，包括如下步骤：
向工艺室的内部提供工艺气体，
其中，上述工艺室，包括：
至少一个以上的水平感应线圈，具备电介质盖并设置于上述电介质盖之上；
至少一个以上的垂直感应线圈，与上述水平感应线圈结合；及
至少一个以上的电力施加电极，与上述水平感应线圈电连接；
从RF电源向上述电力施加电极提供RF电力；
利用通过上述水平感应线圈和上述垂直感应线圈供应、容量结合至上述工艺气体的上述RF电力，从上述工艺气体形成等离子；及
改变上述电力施加电极的水平位置、上述水平感应线圈的间隔、上述垂直感应线圈的垂直位置及上述垂直感应线圈的间隔中的至少一种，以控制等离子均匀度或离子密度中的至少一种。
因此，本说明提供了场增强感应耦合等离子处理装置及其利用方法。本发明的场增强感应耦合等离子处理装置，在不改变等离子均匀度或离子密度等其他等离子特性的同时，改善用以与工艺室内的等离子发生碰撞的RF电力。本发明的场增强感应耦合等离子处理装置，还在处理过程中控制和/或调节均匀度和/或密度等等离子特性。
上述内容为与本发明的实施例相关的内容，而本发明的其他及追加实施例可在不脱离本发明的基本范围的前提下发明出来，而且，本发明的范围由权利要求来限定。
附图说明
图1为本发明规定实施例的场增强感应耦合等离子处理装置概略侧面图；
图2为本发明规定实施例的场增强感应耦合等离子处理装置的水平感应线圈、垂直感应线圈及电力施加电极的概略平面图；
图3为本发明规定实施例的场增强感应耦合等离子处理装置的水平感应线圈及垂直感应线圈的概略示意图；
图4为本发明规定实施例的场增强感应耦合等离子处理装置的加热器元件概略平面图；
图5为本发明规定实施例的等离子形成方法流程图。
主要附图标记说明
100：等离子处理装置            102、103：电力施加电极
104：电力分配器                109：第一水平感应线圈
110：工艺室                    111：第二水平感应线圈
113：垂直感应线圈              114：基板
116：基板支撑基座              118：等离子电源
120：电介质盖                  121：加热器元件
122：偏置电源                  123：电源
126：流入端口                  127：节流阀
130：导电性主体                134：电接地部
136：真空泵            138：气体板
140：控制器            142：内存
144：CPU               46：电路
148：气体源            155：等离子
160：等离子源组装体    300：钩形部分
具体实施方式
本发明感应耦合等离子处理装置可提供用以撞击等离子的增加了的无线频率(RF)能量。例如，提供改善或增强的等离子撞击窗口。另外，本发明感应耦合等离子处理装置，在不改变等离子均匀度或离子密度等其他等离子特性的同时，提供优秀的等离子撞击性能。
图1为本发明相同实施例的场增强感应耦合等离子处理装置100概略侧面图。场增强感应耦合等离子处理装置100直接为半导体基板处理系统的处理模块，可单独使用或与半导体晶片处理系统等整合设备一同使用。作为本发明实施例的变形，包括感应耦合等离子蚀刻反应器。上述所列半导体设备只是示例，可在其他蚀刻反应器及作为非蚀刻反应器的CVD反应器或其他半导体处理设备中适当变形使用。
处理装置100包括一同形成处理容积的导电性主体130及电介质盖120、设置于处理容积内的基板支撑基座116、等离子源组装体160及具备控制器140的工艺室110。导电性主体130结合于电接地部134。支撑基座(阴极)116可通过第一整合网络124结合于偏置电源122。虽然其他频率及电力对特定领域较为适合，但偏置电源122可为生成连续或脉冲型电力的约13.56MHz的频率的1000W为止的电源。作为另一实施例，偏置电源122可为DC或脉冲型DC电源。
在规定实施例中，电介质盖120实际上可为平面形。场增强感应耦合等离子处理装置100，可具有例如凸圆形盖或其他形式的盖。等离子源组装体160通常设置于电介质盖120之上，并向工艺室110内感应结合RF电力。等离子源组装体160，包括至少一个以上的水平感应线圈、连接于至少一个以上的水平感应线圈的至少一个以上的垂直感应线圈、至少一个以上的电力施加电极及等离子电源。至少一个以上的水平感应线圈可设置于电介质盖120之上。至少一个以上的垂直感应线圈与至少一个以上的水平感应线圈连接并设置于电介质盖120侧面之上。如图1所示，在电介质盖120上，示例性地设置至少一个以上的水平感应线圈109、111。
多重水平感应线圈109、111，例如可设置为螺旋形。若第一水平感应线圈109的一端以中心为准位于左侧，则另一端以中心为准位于右侧。若第二水平感应线圈111的一端以中心为准位于左侧，则另一端以中心为准位于右侧。至少一个以上的水平感应线圈109、111相互保持一定的间距并吻合设置。可适当选择第一水平感应线圈和第二水平感应线圈之间的间距、垂直感应线圈之间的间距、各线圈的缠绕数，以控制等离子密度或分布。
第一水平感应线圈109和第二水平感应线圈111通过整合网络119各结合于等离子电源118。虽然其他频率及电力对特定领域是适合的，但等离子电源118在50kHz至13.56MHz范围内可调节的频率上，最高生成4000W的电力。
在规定实施例中，电力分配器104设置于至少一个以上的水平感应线圈之间，以通过电容器的结合向各线圈分配等离子电源118提供的RF电力的相对量。例如，如图1所示，电力分配器104可设置于各连接于等离子电源118和第一水平感应线圈109及第二水平感应线圈111的电力施加电极102、103之间，以控制提供至各线圈的RF电力的量。
如图1所示，至少一个以上的电力施加电极102、103，例如可电结合于第一水平感应线圈109或第二水平感应线圈111。
RF电力在等离子电源118，通过至少一个以上的电力施加电极102、103，各提供至第一水平感应线圈和第二水平感应线圈。
在规定实施例中，至少一个以上的电力施加电极102、103可移动地与至少一个以上的水平感应线圈中的一个结合，以容易定位相互和/或对电介质盖120的相对位置。例如，至少一个以上的第一位置调节机构(未图示)结合于至少一个以上的电力施加电极102、103，以改变与第一水平感应线圈和第二水平感应线圈连接的水平位置。第一位置调节机构(未图示)可为包括导向螺丝、线性轴承、步进电机、楔子等的手动或自动装置，可改变电力施加电极102、103的水平位置设定。
在规定实施例中，如图1所示，第一位置调节机构(未图示)各结合于电力施加电极102、103，以利用水平箭头102独立控制电力施加电极102、103的水平位置。
在规定实施例中，第一位置调节机构(未图示)各结合于第一水平感应线圈109和第二水平感应线圈111，以改变第一水平感应线圈109和第二水平感应线圈111的间距。
对电力施加电极的水平位置的独立控制和/或水平感应线圈之间的间隔控制，使相对的RF电力的容量性结合变得容易，从而控制等离子的密度和/或等离子的面积。例如，电力施加电极的水平位置越靠近线圈的中心，等离子的密度越高，而水平感应线圈之间的间距越大，等离子的密度越低，但等离子的面积增加。
对等离子源组装体160的RF电力的容量性结合的量的控制，使工艺室内的等离子特性的控制变得容易。例如，通过控制等离子源组装体160的容量性结合，改变等离子撞击窗口，从而维持所需感应耦合等离子的特性。对水平感应线圈之间的间距或对电力施加电极位置的选择性控制，可在无需向形成一次充分的容量性结合的等离子内结合过多RF能量，也能使与等离子的撞击变得容易，从而按需求改变等离子特性(例如，密度、解离比率、离子/中子比率等)。另外，通过这样的改变，减少因非对称气体传递和/或抽吸引起的工艺室内的不均匀气体速度等非均匀等离子的产生等。例如，对膏等离子密度的区域，增加低等离子密度的区域内的容量性结合，形成工艺室内整体等离子分布的均匀性，从而使均匀处理变得容易。
等离子源组装台160的一个或两个以上电极可在电介质盖120的上部对称设置，以增加向等离子的RF能量的均匀结合。在规定实施例中，一个或两个以上电极，不提供可使电流感应至一个或两个以上电极内的连续路径。因此，在利用单一电极的实施例中，电极可包括介质断点(dielectric break)，从而不形成电极的介质性环。但是，这样的特异性断点，可能因形状的非对称而导致等离子的非均匀度。在利用单一电极的电极中，导电性断点可位于补偿工艺室内的自然等离子分布的位置，以接近工艺室的抽吸端口或对应于相对高的等离子密度的区域。
在规定实施例中，两个以上的水平感应线圈109、111相互吻合设置，以对称分配在电介质空间产生的等离子的影响。例如，如图2所示，包括实际上以均匀的间隔隔开的两个螺旋形水平感应线圈109、111和两个电力施加电极102、103。
如图1所示，垂直感应线圈113与水平感应线圈109、111中的至少一个连接。在规定实施例中，垂直感应线圈113可通过第二位置调节机构(未图示)整体移动垂直方向的位置或改变之间的间距。例如，第二位置调节机构(未图示)可为包括导向螺丝、线性轴承、步进电机、楔子等的手动或自动装置，可改变垂直感应线圈113的位置或间距。
如图1所示，加热器元件121设置于电介质盖120上部，以使工艺室110的内部加热变得容易。加热器元件121可设置于电介质盖120及水平感应线圈109、111及电力施加电极102、103之间。在规定实施例中，加热器元件121可包括电阻性加热元件，且可连接于可提供充分的能量的AC电源等电源123，以将加热器元件121的温度控制在约50至100℃。在规定实施例中，加热器元件121可为开放中断型加热器。在规定实施例中，加热器元件121可包括环形元件等非中断型加热器，以使工艺室110内的均匀等离子的形成变得容易。
例如，图3为本发明规定实施例的加热器元件121的平面图。加热器元件121可包括具备向内侧延长的销302的钩形部分300。在规定实施例中，钩形部分300可沿如图1所示的电介质盖120的周边而设。例如，钩形部分300可具有与电介质盖120的外径实际上相同的外径。在规定实施例中，钩形部分300可具有与电介质盖120的外径大或小的外径。还可利用实际上可均匀加热电介质盖120的钩形部分300的其他适当的结构。销302可相对于钩形部分300具有适当的宽度、长度、数量和/或位置，以控制工艺室110所需的热的量及分布。如图3所示，销302相对于加热器元件121的钩形部分300对车设置，从而可延长为内侧放射状。
如图1所示，在作业期间，基板114(适合于半导体晶片或等离子处理的适当的基板等)可设置于基座上，而工艺气体可通过流入端口126从气体板138供应，以形成工艺室110内的气体状态的混合物。如在图5中还具体地示出，将电力从等离子电源118供应至水平感应线圈109、111及垂直感应线圈113，而气体状态的混合物150净化至工艺室110的等离子155内。在规定实施例中，电力还可从偏置电源122提供至基座116。工艺室110内部压力可利用节流阀127及真空泵136控制。导电性主体130的温度可利用沿导电性主体130形成的导管(未图示)控制。
晶片114的温度可通过稳定支撑基座116的温度控制。在一实施例中，来自气体源148的氦气通过气体导管供应至设置于基座表面的晶片114后面和具备于槽(未图示)之间的通道。氦气使基座116和晶片114之间的热传递变得容易。工艺处理期间，支撑基座116利用其内部的电阻性加热器(未图示)加热至稳定状态温度，而氦气使晶片114的均匀加热变得容易。通过上述热控制，晶片114的温度可维持在0～500℃之间。
控制器包括中央处理器(CPU)144、内存及用于CPU144的支持电路146，并使处理装置100部件和等离子形成方法的控制变得容易。控制器140用于工业设置，以控制各种工艺室及子进程。CPU144的内存或计算机可读介质，可为随机存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、软盘、硬盘或局部或远程数据存储的各种形式等的一种两个以上的组合。支持电路146结合于CPU144，以通过现有的方式支持处理器。上述电路包括闪存(cache)、电源、时钟电路、输入/输出电路及子系统等。本发明的可通过如下方式控制等离子处理装置100运行的软件程序并可保存于内存142内。软件程序还可从被CPU144控制的硬盘，通过远程的第二CPU(未图示)保存和/或运行。
图4表示根据固定实施例的，在与上述等离子处理装置100类似的场增强感应耦合处理装置内形成等离子的方法400。一般而言，上述方法从工艺气体(或一些气体)提供至工艺室110的“402”开始。工艺气体或一些气体通过流入端口126从气体板138供应，以在工艺室110内形成气体状态混合物150。导电性主体130、电介质盖120及支撑基座116等工艺室部件，可通过上述方法在工艺气体气筒之前或之后加热成所需温度。
可通过从电源123向加热器元件121供应电力加热电介质盖120。供应的电力可在工艺处理时以所需温度维持工艺室110。
接着，在“404”，来自RF电源118的RF电力提供至水平感应线圈及垂直感应线圈，以感应性、容量性结合至工艺气体混合物150。虽然其他电力及频率用于形成等离子，但RF电力可以最高4000W及50kHz至13.56MHz的可调节的频率提供。
在规定实施例中，如“406”所示，第一量的RF电力经水平感应线圈和垂直感应线圈，与工程气体感应结合。施加至水平感应线圈109的第一量的RF电力，因感应结合至加热器元件121内的第一量的RF电力的一部分，由于非中断型加热元件(例如，加热器元件121为非中断型加热元件)的存在而减少，从而更增加等离子撞击的难度。但是，如“508”所示，施加至水平感应线圈11的第二量的RF电力容量性地结合至工艺气体内并感应结合至加热器元件121，从而不会减少，而第二量的RF等离子的性能经过改善可在更广的范围的状态下与等离子撞击。
在“410”中，利用各提供至水平感应线圈109、111及垂直感应线圈的第一量的RF电力及第二量的RF电力，从工艺气体混合物150形成等离子155。在通过与等离子的撞击达到等离子稳定时，方法400一旦结束，而等离子继续按照需要被处理。例如，在标准工艺方式中，利用当前RF电力设置及其他工艺变量，至少使一部分工艺继续。连接至水平移动线圈的电力施加电极102、103，在工艺期间，选择性地或组合地，水平移动以改变向工艺室内的RF电力的容量性结合，或由水平移动线圈改变其间距，垂直移动线圈改变其垂直位置或间距，以改变向工艺室110内的RF电力的容量性结合。
因此，本说明书提供了场增强感应耦合等离子处理装置及利用方法。本发明场增强感应耦合等离子处理装置，在不改变等离子均匀度或离子密度等其他等离子特性的同时，改善用以与工艺室内的等离子发生碰撞的RF电力。本发明场增强感应耦合等离子处理装置，还在处理过程中控制和/或调节均匀度和/或密度等等离子特性。
上述内容为与本发明的实施例相关的内容，而本发明的其他及追加实施例可在不脱离本发明的基本范围的前提下发明出来，而且，本发明的范围由如下权利要求来限定。

Claims (11)

1.一种场增强感应耦合等离子处理装置，包括：
工艺室，具备电介质盖；
至少一个以上的水平感应线圈，包括设置于上述电介质盖之上的等离子源组装体，
并向上述工艺室感应结合RF能量，以在工艺室内形成并维持等离子；
至少一个以上的电力施加电极，电连接至上述水平感应线圈，以向上述工艺室内容量结合RF能量；
第一位置调节机构，结合于上述电力施加电极并改变上述施加电极的水平位置；及
RF发生器，结合于上述至少一个以上的电力施加电极。
2.根据权利要求1所述的场增强感应耦合等离子处理装置，其特征在于：上述第一位置调节机构用以改变上述电力施加电极的水平位置。
3.根据权利要求1所述的场增强感应耦合等离子处理装置，其特征在于：上述第一位置调节机构结合于上述水平感应线圈，以改变上述水平感应线圈的间距。
4.根据权利要求2或3所述的场增强感应耦合等离子处理装置，其特征在于：
上述水平感应线圈，包括：
第一水平感应线圈，呈螺旋形，一端以中心为准位于左侧，另一端以中心为准位于右侧；
第二水平感应线圈，呈螺旋形，一端以中心为准位于右侧，另一端以中心为准位于左侧。
5.根据权利要求4所述的场增强感应耦合等离子处理装置，其特征在于：还包括通过电容器结合分配提供至上述第一水平感应线圈和上述第二水平感应线圈的RF电力的相对量。
6.根据权利要求1至3任一项所述的场增强感应耦合等离子处理装置，其特征在于：还包括与上述水平感应线圈连接并设置于电介质盖侧面之上的垂直感应线圈。
7.根据权利要求6所述的场增强感应耦合等离子处理装置，其特征在于：还包括用以整体移动上述垂直感应线圈的垂直位置或改变上述垂直感应线圈的间距的第二位置调节机构。
8.根据权利要求7所述的场增强感应耦合等离子处理装置，其特征在于：上述第一位置调节机构和上述第二位置调节机构包括导向螺丝、线性轴承、步进电机及楔子中的至少一种。
9.根据权利要求1至3任一项所述的场增强感应耦合等离子处理装置，其特征在于：还包括设置于上述等离子源组装体的一个或两个以上电极和上述电介质盖之间的加热器元件。
10.一种等离子形成方法，包括如下步骤：
向工艺室的内部提供工艺气体，
其中，上述工艺室，包括：
至少一个以上的水平感应线圈，具备电介质盖并设置于上述电介质盖之上；
至少一个以上的垂直感应线圈，与上述水平感应线圈结合；及
至少一个以上的电力施加电极，与上述水平感应线圈电连接；
从RF电源向上述电力施加电极提供RF电力；
利用通过上述水平感应线圈和上述垂直感应线圈供应、容量结合至上述工艺气体的上述RF电力，从上述工艺气体形成等离子；及
改变上述电力施加电极的水平位置、上述水平感应线圈的间隔、上述垂直感应线圈的垂直位置及上述垂直感应线圈的间隔中的至少一种，以控制等离子均匀度或离子密度中的至少一种。
11.根据权利要求10所述的等离子形成方法，其特征在于：上述工艺室还包括设置于上述电介质盖上部的非中断型加热器元件，而且，还包括向上述加热器元件供应电力，以控制上述工艺室温度的步骤。
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